水田改旱地和菜地后红壤酸度和养分变化特征

【目的】以红壤区典型县域祁阳为例,分析不同母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤酸度和养分含量变化特征,为该区合理利用土地防治酸化提供科学依据。【方法】选取18个点位,采集水田及相邻的旱地和菜地,分析土壤pH、交换性酸、交换性盐基离子、有机质、阳离子交换量和养分含量的变化及其相互关系。【结果】碱性母质发育的土壤pH均显著高于酸性母质发育的土壤。酸性母质发育的水田改为菜地后土壤pH降低了0.48个单位;碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤pH分别降低了0.74和0.53个单位。双直线模型拟合分析表明,当水田、旱地和菜地的土壤pH分别低于5.88、5.78和5.63时,土壤交换性铝含量快速升高,且降低一个pH单位土壤交换性铝含量分别增加1.09、2.33和2.93 cmol(+)·kg^(-1)。酸性母质发育的水田改为旱地土壤有机质和全氮含量分别降低了11.06和0.42 g·kg^(-1),而菜地无显著变化;碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有机质和全氮含量均显著下降,降幅分别为13.88—17.28和0.57—0.71 g·kg^(-1)。碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有效氮含量分别降低了47.66和42.34 mg·kg^(-1)。两种母质发育的水田改为菜地后土壤全磷、有效磷含量均显著增加,增幅分别为0.41—0.48 g·kg^(-1)和26.79—28.69 mg·kg^(-1)。两种母质发育的水田改为旱地和菜地土壤全钾含量无显著变化;碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有效钾含量显著升高,分别升高了36.69和65.76 mg·kg^(-1)。相关分析表明,土壤pH与土壤交换性钙和镁、阳离子交换量、有机质含量和全氮含量呈显著正相关(P<0.01);土壤交换性酸和铝与有效磷含量显著正相关(P<0.05),与土壤交换性钙和镁、阳离子交换量、有机质含量和全氮含量呈显著负相关(P<0.01)。【结论】酸性母质和碱性母质发育的水田改为旱地后土壤有机质、全氮含量均显著降低,而土壤全磷、有效磷含量呈增加趋势;酸性母质发育的水田只有改为菜地后土壤才酸化,而碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤均酸化;水田改为旱地和菜地后土壤硝化作用增强和盐基离子淋失增加可能是其酸化的主要原因之一。

长期施肥下红壤玉米关键生育期氧化亚氮排放差异及其影响因素

【目的】探究红壤区玉米关键生育期氧化亚氮(N_(2)O)的排放量及影响因素,为红壤区玉米季温室气体减排提供理论支撑。【方法】典型红壤长期施肥定位试验始于1990年,选取不施肥(CK)、氮钾化肥配施(NK)、氮磷钾化肥配施(NPK)3个处理,监测玉米苗期、喇叭口期、灌浆期和成熟期N_(2)O排放、温度和降雨量,测定了表层土壤理化性状和硝酸还原相关酶的活性。【结果】与CK相比,NK和NPK处理均显著提高了N_(2)O累积排放量,NPK处理显著增加苗期N_(2)O累积排放量,而NK处理显著提高了喇叭口期和灌浆期N_(2)O累积排放量,但两个处理的玉米生育期N_(2)O累积排放总量没有显著差异。从玉米苗期到成熟期,NK处理土壤pH整体呈下降趋势,降低了17.8%,而CK和NPK处理无显著变化;CK、NK和NPK处理土壤有机碳(SOC)整体呈上升趋势,分别较灌浆期升高了15.2%、16.4%和16.2%,NH_(4)^(+)-N含量呈逐渐降低趋势,而NO_(3)^(−)-N含量呈逐渐上升趋势。NPK处理苗期土壤NO_(3)^(−)-N含量显著高于NK处理,喇叭口期和灌浆期均低于NK处理,NH_(4)^(+)-N含量全生育期均显著低于NK处理。从苗期到成熟期,各处理反硝化酶(DE)活性呈下降趋势,CK、NK处理的降幅(59.1%、66.9%)高于NPK处理(29.1%);各处理硝酸还原酶(NR)活性均在喇叭口期最低,NK和NPK处理各生育期NR活性高于CK;亚硝酸还原酶各处理也在喇叭口期最低,CK和NK处理分别下降33.4%和76.2%,NPK处理较最大值降低23.5%。Pearson分析结果表明,各生育期N_(2)O累积排放量与生育期平均气温(TEM)、NO_(3)^(−)-N、SOC和NR呈显著正相关关系,与生育期累积降雨量(PCP)、pH和反硝化酶活性呈显著负相关关系。随机森林模型分析结果表明,苗期、喇叭口期、灌浆期、成熟期与N_(2)O累积排放量相关最显著的因素分别为pH、PCP、NR、SOC。【结论】在玉米不同生育期,影响土壤N_(2)O累积排放的主要因素不同,苗期为土壤pH,大喇叭口期为累积降雨量,灌浆期为土壤硝酸还原酶活性,成熟期为土壤有机碳含量。酸性红壤上,施用化肥氮可降低土壤pH,提高土壤硝态氮和有机碳含量,进而显著增加N_(2)O排放量。虽然长期施用氮钾肥与施用氮磷钾肥玉米生育期的N_(2)O累积排放量没有显著差异,但施用氮磷钾肥显著提升苗期N_(2)O排放量,而施用氮钾肥增加大喇叭口期和灌浆期N_(2)O排放量。

长期复种绿肥下光合碳在水稻-土壤系统中的分配与稳定

冬季复种绿肥是我国南方稻区传统的培肥增产模式,探究长期冬种绿肥下光合碳在水稻-土壤系统中的分配规律,对深入解析稻田土壤碳循环、充分发挥绿肥的生态功能具有重要意义。基于稻-稻-绿肥复种长期定位试验(38年),针对稻-稻-紫云英、稻-稻-油菜和稻-稻-休闲三种处理,采用^(13)C-CO_(2)脉冲标记技术,研究长期冬季复种绿肥下光合碳在早稻季分蘖期水稻-土壤系统中的分配特征。结果表明,与冬季休闲处理相比,复种紫云英和油菜处理使早稻地上部^(13)C-光合碳积累量每穴分别增加19.9 mg和80.6 mg;复种紫云英处理使早稻地下部^(13)C-光合碳积累量每穴降低2.7 mg,而复种油菜处理对早稻地下部^(13)C-光合碳积累量无显著影响。同时,冬季复种紫云英和油菜减少了早稻^(13)C-光合碳向土壤的分配,积累量每穴分别降低7.6 mg和7.8 mg;复种紫云英处理对水稻^(13)C-光合碳在土壤颗粒有机碳(POC)和矿物结合态有机碳的分配比例无显著影响,复种油菜处理促进了水稻^(13)C-光合碳向土壤POC中的分配,使^(13)C-POC的占比增加35.3%。综上,长期复种绿肥促进了水稻分蘖期光合碳在水稻-土壤系统中的积累,与冬季休闲处理相比,冬季复种绿肥使光合碳在水稻-土壤系统中积累量增加3.7%~28.0%;增加了光合碳向水稻地上部的分配,减少了其向水稻地下部及土壤中的分配比例;且复种油菜处理减弱了土壤中水稻光合碳的稳定性;从增加有机碳总量和光合碳稳定性的角度可知,复种紫云英是相对较好的一种冬季复种绿肥模式。

两种调理剂对水稻土pH值和重金属吸收的影响

探明两种调理剂对近中性水稻土pH值、重金属有效性和水稻吸收的影响,及其与土壤性质的关系,为调理剂的科学开发及合理施用提供科学依据。选取水淬高炉渣源调理剂(T1)及其腐殖质改性调理剂(T2),分别设置2个施用量梯度(T1L、T1H和T2L、T2H),通过盆栽试验分析了两种调理剂及不同用量对土壤pH值、有效硅、镉、锌、铜含量,以及水稻籽粒和秸秆镉、锌、铜含量的影响。与对照(CK)相比,2个施用T1调理剂处理土壤pH值分别升高0.64和1.02,2个施用T2调理剂处理pH值分别升高0.27和0.56(P<0.05),土壤pH值随调理剂施用量的增加而增加。T1L和T1H处理土壤有效硅含量与CK相比分别提高5和22倍(P<0.05),且显著高于施用T2调理剂处理。与CK相比,T1H处理土壤有效镉、锌、铜含量分别降低37.21%、45.57%和95.30%(P<0.05);T2L和T2H处理土壤有效锌含量分别降低31.55%和30.67%,有效铜含量分别降低6.53%和19.32%(P<0.05)。与CK相比,T1L和T1H水稻籽粒锌含量分别降低23.44%和18.12%(P<0.05);施用T2调理剂后,籽粒和秸秆锌、铜含量无显著变化。土壤pH值、有效硅含量与土壤有效镉、锌、铜含量呈显著或极显著负相关,土壤有效硅含量与籽粒、秸秆镉含量呈显著负相关。研究表明,在近中性水稻土上施用富含硅的强碱性调理剂,既有利于提高土壤p H值和有效硅含量,又可有效降低土壤重金属有效性及其水稻吸收量。

湘南丘陵区水田改旱地后土壤磷的有效性及淋失风险

【目的】研究不同母质发育的水稻土改旱地后土壤有效磷变化特征及主要影响因素,为红壤区磷素高效利用提供依据。【方法】采集3种母质(石灰岩、第四纪红色黏土和砂页岩)发育的水稻土及相邻的水田改旱地土壤样品,分析了土壤全磷、有效磷、水溶性磷和无机磷组分(Al-P、Fe-P、Ca-P和O-P)的变化特征,通过主成分分析(PCA)和随机森林分析,探究水田改旱地后土壤磷素有效性变化的主要驱动因子。【结果】水田改为旱地后,石灰岩、砂页岩发育的土壤有效磷含量分别增加了20.48和17.60 mg/kg (P<0.05),但水溶性磷含量均低于磷素环境阈值;土壤磷活化系数分别提高了2.67和2.22个百分点;Al-P含量分别增加了46.07和51.28mg/kg;石灰岩发育的土壤Fe-P含量增加了62.11 mg/kg。相关分析表明,水田改旱地后,Fe-P、Al-P与磷活化系数呈显著或极显著正相关,PCA和随机森林分析结果表明Fe-P、Al-P是土壤磷素有效性变化的主要驱动因子。【结论】湘南红壤丘陵区水田改为旱地后,第四纪红色黏土发育的红壤磷素有效性未发生显著变化,石灰岩和砂页岩发育的土壤磷素有效性由于铁磷和铝磷在全磷中比例的增加而显著提升。3种母质发育的水田改旱地后,其水溶性磷含量均低于环境磷阈值,引发磷淋失的风险较低。

近30年来我国小麦和玉米秸秆资源时空变化特征及还田减肥潜力

【目的】我国拥有丰富的小麦和玉米秸秆资源,明晰我国小麦、玉米秸秆产量和养分资源量及还田减肥潜力的时空变化特征,可为推进秸秆资源利用和化肥减施提供决策依据。【方法】以农业农村部1988-2019年在全国小麦玉米区的土壤长期监测数据为基础,分析我国各地区不同年份的小麦玉米秸秆和养分资源量及还田减肥潜力。【结果】2010s全国小麦和玉米秸秆年均量分别达到1.62×10^(8)和4.23×10^(8)t,比1990s增加0.16×10^(8)和2.04×10^(8)t;秸秆NPK总养分资源年均量分别达到278.19×10^(4)和901.08×10^(4)t,比1990s增加27.97×10^(4)和434.82×10^(4)t,均以华北增量最高。30年来全国小麦秸秆及养分资源呈先降后增的趋势,玉米呈增长趋势。第一阶段(1990s—2000s)和第二阶段(2000s—2010s)小麦秸秆资源年变化速率分别为-42.47×10^(4)和205.10×10^(4)t·a^(-1),N、P和K的养分资源年变化速率分别为-0.26×10^(4)、-0.03×10^(4)、-0.44×10^(4)t·a^(-1)和1.27×10^(4)、0.14×10^(4)、2.11×10^(4)t·a^(-1);第一阶段和第二阶段玉米秸秆资源年变化速率分别为397.82×10^(4)和1643.60×10^(4)t·a^(-1),N、P和K的养分资源年变化速率分别为3.46×10^(4)、0.56×10^(4)、4.46×10^(4)t·a^(-1)和14.30×10^(4)、2.30×10^(4)、18.41×10^(4)t·a^(-1)。80%以上的小麦秸秆及其养分资源分布在华北和长江中下游,以华北最高(0.93×10^(8)t,NPK 160.31×10^(4)t),西南最低(0.09×10^(8)t,NPK 16.05×10^(4)t);70%左右的玉米秸秆及其养分资源分布在东北和华北,以东北最高(1.39×10^(8)t,NPK 296.96×10^(4)t),长江中下游最低(0.21×10^(8)t,NPK 44.40×10^(4)t)。全国小麦秸秆还田的N、P和K养分单位面积年均当季释放量分别为21.1、3.0和62.3 kg·hm^(-2),以华北最高,西南最低;玉米秸秆还田的N、P和K养分单位面积年均当季释放量分别为48.6、10.6和97.7 kg·hm^(-2),以西北最高,西南最低。近30年来,全国单位面积小麦和玉米秸秆还田的养分年均当季释放量持续稳定增加,小麦秸秆还田的N、P、K养分相当于化肥年均施用量的比例分别为9.13%—10.82%、4.26%—6.43%、88.02%—111.86%,玉米秸秆分别为22.99%—24.37%、16.04%—28.67%、150.29%—181.42%。【结论】我国小麦和玉米秸秆还田可满足作物生长的钾素需求,可减少约10%—20%氮肥、5%—20%磷肥的施用,充分利用秸秆资源,是实现化肥减施增效的重要保障。

我国水稻的肥料贡献率时空变化及影响因素

【目的】从全国尺度上解析近30年(1988—2017)水稻产量的肥料贡献率变化及其影响因素,为水稻可持续生产和肥料的科学施用提供理论依据。【方法】基于全国稻作区耕地质量监测数据(338个点位),分析不同稻作模式、种植区域、气候条件和土壤质地的水稻肥料贡献率年际变化,并结合随机森林模型探讨各因素对水稻肥料贡献率变化的相对贡献。【结果】在施肥区和不施肥区水稻品种和栽培技术相同的条件下,近30年全国水稻的肥料贡献率整体呈现前20年逐渐升高,近10年趋于平稳的特征,总体变化幅度为41.20%—51.89%,但不同稻作模式存在差异,单季稻、双季稻和水稻-其他作物轮作的水稻肥料贡献率分别为38.58%—55.49%、41.96%—51.05%和42.34%—53.43%。不同区域的水稻肥料贡献率在近30年的平均值表现出西南(55.82%)>长江中游(46.73%)>华北(46.27%)>东北(45.90%)>华南(45.83%)>长江下游(44.25%)。结合施肥年限和水稻肥料贡献率的拟合方程发现,东北、华北、西南、长江中游、长江下游和华南的水稻肥料贡献率达到稳定的施肥年限分别为15.2、18.5、19.0、15.3、15.3和14.5 a。不同气候条件也显著影响水稻的肥料贡献率,其中,亚热带季风气候(49.23%)>温带季风气候(45.90%)>热带季风气候(34.57%)。不同土壤质地的水稻肥料贡献率则表现出黏土(43.25%—64.80%)>壤土(40.65%—48.46%)>砂土(26.20%—45.98%)。随机森林模型显示,氮肥和磷肥是调控水稻肥料贡献率变化的主要因素,同时,无霜期、年均降雨、年均温度、钾肥及土壤有机质含量也是影响水稻肥料贡献率的关键指标。【结论】在1988—2017年,全国稻作区的水稻肥料贡献率整体呈现前期逐渐增加后期趋于平稳的趋势,且稻作模式、区域、气候和土壤质地条件均影响水稻肥料贡献率的年际变化。氮肥和磷肥对水稻肥料贡献率变化的影响较大。相比其他土壤肥力指标,土壤有机质是影响水稻肥料贡献率变化的关键土壤肥力因子。

我国小麦和玉米相对产量差时空变异及其对氮肥的响应

【目的】探究近15—20年我国小麦和玉米相对产量差的时空变异特征、影响因素以及不同地力水平下相对产量差对氮肥的响应,为氮肥的合理施用及实现小麦和玉米的高产稳产提供理论依据。【方法】基于农业农村部耕地土壤质量监测数据,用施肥区与无肥区作物产量之差代表由肥料投入和由此引起的土壤性质改变所贡献的相对产量(RY),利用高产农户统计法获取最高相对产量(HRY)、平均相对产量(ARY)和相对产量差(GRY),根据无肥区产量划分低、中、高基础地力水平,量化不同基础地力水平下小麦、玉米相对产量差与氮肥用量的关系,并结合随机森林模型探讨施肥和土壤因素对相对产量差影响的重要程度。【结果】全国小麦的HRY为3.83—6.75 t·hm^(-2),ARY为2.10—3.42 t·hm^(-2),GRY为1.73—3.33 t·hm^(-2),相对产量差占最高相对产量的44.64%—49.06%。小麦HRY、ARY和GRY均是华北区>长江中下游区>西北区>西南区。玉米的HRY为6.53—8.20 t·hm^(-2),ARY为3.37—4.12 t·hm^(-2),GRY为3.16—4.08 t·hm^(-2),相对产量差占最高相对产量的44.78%—50.52%。玉米HRY、ARY和GRY均是东北区>华北区>西南区>西北区。除华北区外,各个区域HRY和GRY均随监测时间的延长呈上升趋势。除西北区外,在低、中地力土壤上GRY随着氮肥施用量的增加而降低,而在高地力土壤上,下降不显著。华北区小麦和玉米、长江中下游区小麦和东北区玉米在低、中地力土壤均出现了氮肥施用平衡点。整体而言,在低、中地力土壤上,氮肥施用量和土壤有机质含量是影响小麦和玉米GRY相对重要的因子;高地力土壤上,钾肥用量对长江中下游和华北区的GRY影响较大,有机质含量对西北和西南区的GRY影响显著。【结论】土壤地力水平越高,施用氮肥降低相对产量差的效应越低,高地力土壤应适当减施氮肥。为保证作物增产的同时避免氮肥的浪费和环境风险,建议氮肥施用量不宜超过其平衡点,即华北平原低、中地力土壤上小麦氮肥推荐施用量分别为260.6和159.2 kg·hm^(-2),玉米分别为262.6和246.0 kg·hm^(-2);长江中下游区低、中地力土壤上小麦分别为199.5和187.5 kg·hm^(-2);东北区低、中地力水平土壤上玉米分别为259.5和228.0 kg·hm^(-2)。西南区低、中地力和西北区低地力土壤,应适当增加氮肥投入。此外,长江中下游和华北区高地力土壤上还应注重施用钾肥,西北、西南区应当将提升土壤有机质作为增产的主要措施。